CN1696724A - 一种消弧线圈接地系统故障选线自适应方法 - Google Patents

Abstract

一种消弧线圈接地系统故障选线自适应方法，属电力系统继电保护技术领域。本方法是：当消弧线圈接地系统的母线零序电压瞬时值u₀ (t)大于K_uU_n，故障选线路装置立即启动，记录下故障前2个周波和故障后3个周波的各出线零序电流和母线零序电压；其中，K_u一般取值为0.35，U_n表示母线额定电压；从选线装置启动时刻向前追溯，在母线零序电压上寻找小于0.01U_n的采样点，其对应的时刻认为是单相接地故障发生的时刻t_f；从t_f开始选取母线零序电压一个周期的采样点，计算其相角θ_u0以及各条线路的I_DC，得到判据1、2、3和4，并分别依据判据对系统故障作出选线。本方法与暂态量选线方法配合可以形成完善的故障选线方案。大量的数字仿真结果表明，该方法是有效、可靠的。

Description

一种消弧线圈接地系统故障选线自适应方法

技术领域：

本发明涉及一种消弧线圈接地系统故障选线自适应方法，属电力系统继电保护技术领域。

背景技术：

单相接地电弧能够自行熄灭的中性点非有效接地系统称为小接地电流系统，主要以中性点不接地、经高电阻接地或经消弧线圈接地等接地形式出现。我国6～66kV的配电网通常都属于小接地电流系统(参考文献1)。

配电网中性点一般经消弧线圈或中性点不接地，发生单相接地故障时，由于不形成短路，规程允许继续运行1-2h，但是长时间的接地运行极易形成两相接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压。为防止故障扩大，必须发出信号并排除故障。为防止故障进一步扩大，必须及时、准确地选出故障线路并予以切除(参考文献2)。

经过长期研究，目前出现了多种故障选线方法，并开发出了相应的装置，但在实际应用中的效果并不十分理想。现有的小电流接地系统单相接地故障选线方法，从使用的信号上大体可分为三类，稳态方法(参考文献3-5)、暂态方法(参考文献6-7)和信号注入法(参考文献8)。稳态方法中的典型方法有：幅值比较法、相位比较法、零序导纳法、零序功率法等。幅值比较法和相位比较法仅适用于中性点不接地的系统，但实际中由于变电站出线较多单相接地电流过大，因此消弧线圈被广泛使用，因此这两种方法适用范围很小；零序导纳法和零序功率法由于稳态后零序电流较小，容易受到干扰，影响了在实际中的应用效果。暂态方法利用故障引起的高频暂态分量进行故障选线，但是高频暂态分量的大小与故障合闸角密切相关。信号注入法需要外加信号，实际应用时需要改动系统PT的接线，不利于装置的实际应用。由于暂态选线方法可以不受小接地电流系统中性点接地方式的影响，且不需要注入信号，因此在实际应用中有明显的优越性。虽然实际中大多数故障为绝缘击穿故障，故障时电压不在零附近，可以产生明显的暂态信号，但也不是没有发生电压过零附近故障的可能，如：在昆明供电局的实际运行中，电压过零附近故障也时有出现。在电压过零附近发生故障时高频暂态分量很小，考虑到各种干扰，暂态选线方法可能失效。但此时故障却引起了较大的衰减直流分量。文献9中提出了一种基于小波变换利用衰减直流分量的选线方法，该方法使用db10小波，将4kHz的采样信号分解到6层，选用0～31.25Hz和31.25～62.5Hz的信号形成选线核心算法。db10小波的支撑长度为19，因此0～31.25Hz的小波滤波器的时窗为19×2⁵＝608采样点，对应的时间为608/4000秒，约7.5个周波。因此要做到准确选线就需要多于7.5个周波的数据。可见文献9中的算法需要大量的采样数据，这不利于实际应用，而且该方法没有考虑母线故障的情况。因此，本方法提出了一种利用衰减直流分量的故障选线自适应新方法，仅使用故障后一个周波的数据，它与暂态选线方法是互补的，两者结合可以形成完善的故障选线方法。

参考文献：

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[2]肖白，束洪春，穆钢，等(Xiao Bai，Shu Hongchun，Mu Gang，et al).基于模极大值理论的配电网接地保护研究(Study of Grounding Fault Protection In Distribution System Based On TheTheory of Modular maxima).继电器(Relay)，2004，32(10)：36-39

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[8]王新超，桑在中(Wang Xincao，Sang Zaizhong).基于“S注入法”的一种故障定位新方法(A new approach of fault location based on“S injecting signal”.继电器(Relay)，2001，29(7)：9-12

[9]戴剑锋，张艳霞，候喆(Dai Jianfeng，Zhang Yangxia，Hou Zhe).小波重构算法在配电网接地选线中的应用(Application of Wavelet Reconstruction Algorithm inPhase-to-ground Fault Detection of Distribution Networks).电网技术(Power SystemTechnology)，2004，28(3)：43-47

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[11]候有韬，张举，李炜(Hou Youtao，Zhang Ju，Li Wei).提取衰减直流分量参数的改进算法(AnImproved Algorithm for Extraction Decaying DC Component).华北电力大学学报(Journal ofNorth China Electric Power University)，2004，31(3)：23-25

发明内容：

本发明的目的在于克服现有小接地电流系统接地故障选线技术之不足，在对中性点经消弧线圈接地系统中的电磁暂态特征分析的基础上，通过大量仿真后，提出了一种利用衰减直流分量对经消弧线圈接地的小接地电流系统准确进行故障选线的自适应方法。

1 衰减直流分量分布特性

对于本方法进行数字仿真的中性点经消弧线圈接地系统，发生单相接地故障时，电流分布如图1所示。

图1中，C₁、C₄、C₅和C_f等表示各线路对地电容，L_n表示消弧线圈电感，L_r表示等效电感，R_f表示接地点的过渡电阻，F₁、F₂为接地点。

当电网发生单相接地故障时，流过故障线路的零序电流i_d由暂态电容电流i_c和暂态电感电流i_L两部分叠加而成(参考文献10)。即

i_d＝i_c+i_L

式(1)中，第一项为接地电流稳态分量，等于稳态电容电流和稳态电感电流的幅值之差；其余为接地电流的暂态分量，等于电容电流的暂态自由振荡分量与电感电流的暂态直流分量之和。对于非故障线路而言，其流经的零序电流中只含有暂态电容电流分量，而不含有电感电流分量。当故障发生在相电压过零点附近时，故障线路其暂态零序电流的特性主要取决于暂态电感电流，相对于非故障线路，故障线路暂态零序电流中含有的直流分量较大。

本方法数字仿真系统中有5条出线，当线路L₅在F₁点电压过零时发生A相接地故障时(过渡电阻为20Ω)，故障线路L₅和非故障线路L₄的零序电流如图2所示。从图2可以看出，故障线路零序电流中有非常明显的衰减直流分量，而非故障线路零序电流中衰减直流成分则很小。当母线发生A相在F₂点接地故障时，线路L₄和线路L₅中的零序电流如图3所示，在图3中，两条线路的零序电流中衰减直流分量几乎为零，这是因为衰减直流分量直接流入了消弧线圈，而没有流过线路的原因。

2 故障选线方法

由经消弧线圈接地的小接地电流系统单相接地故障时衰减直流分量的分布特性可见，当线路不在电压最大值附近故障时，系统将有衰减直流分量产生，它只流过故障线路和消弧线圈而不流过非故障线路，当母线故障时虽然也有衰减直流分量产生，但它不流过任何线路，而是直接流入消弧线圈。根据这一特点，可以构成利用衰减直流分量的小接地电流系统故障选线方法。其实现步骤如下：

1.当母线零序电压瞬时值u_n(t)大于K_uU_n，故障选线装置立即启动，记录下故障前2个周波和故障后3个周波的各出线及母线零序电流和母线零序电压，其中K_u一般取值为0.35，U_n表示母线额定电压；

2.从选线装置启动时刻向前追溯，在母线零序电压上寻找小于0.01U_n的采样点，其对应的时刻认为是单相接地故障发生的时刻t_f；

3.从t_f开始选取一个周波的采样点，使用下面的方法计算各线路及母线零序电流中的衰减直流分量初始值I_DC，其中，τ为衰减时间常数。

仅求直流分量，可以忽略分数次谐波的影响，不妨假定被采样信号具有如下形式：

式中I_DC为衰减直流分量初值，τ为衰减时间常数，I_m，n和_n分别为n次谐波的幅值和初相角。将x(t)离散化得(参考文献11)：

式(3)中，Δt为采样时间间隔，N为每周波的采样点数。在信号处理中，x(k·Δt)一般简写为x(k)。令r＝e^-Δt/τ，在一个周期内对x(k)求和得

因为

$\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}=0,\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}=0$

所以

$\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{DC}}{r}^k=I_{\mathrm{DC}}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}^k---\left(5\right)$

引入第N+1点的采样值，对x(k)在从2到N+1点的这一周期内求和，同理有

$\underset{k=2}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)=\underset{k=2}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{DC}}{r}^k=I_{\mathrm{DC}}r\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}^k---\left(6\right)$

由(5)式、(6)式得

$r=I_{\mathrm{DC}}r\underset{k=2}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}{r}^k/I_{\mathrm{DC}}r\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}^k---\left(7\right)$

由(5)得

$I_{\mathrm{DC}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)/\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}^k---\left(8\right)$

4.不失一般性，设有馈线3条以上，通过比较在线路中衰减直流分量初始值绝对值，寻找前3个最大值，按从大到小顺序为I_DC，j、I_DC，k和I_DC，m，对应的线路分别为L_i、L_k和L_m；

5.判断是否在电压最大值附近发生故障。具体方法是：从t_f开始选取母线零序电压一个周期的采样点，计算其相角θ_u0(设零序电压为正弦函数，且θ_u0∈[-180°，180°])，并定义判据1：

                |θ_u0-90°|≤30°或|θ_u0+90°|≤30°    (9)

当满足判据1时，认为是在相电压最大值附近发生故障，由于在这种情况下本方法灵敏度较低，可能造成误判，为保证选线的准确性，故本方法将闭锁，而转入应用暂态选线方法，这里不作赘述。不满足判据1时，则区分线路故障还是母线故障；

6.判断是否为线路故障，并定义判据2：

                    |I_DC，j|＞|I_DC，k|+|I_DC，m|        (10)

当满足判据2，说明线路L_j的衰减直流分量I_DC，j远大于其它线路上的衰减直流分量，本方法认为线路L_j故障。不满足判据2时，则认为是母线故障。

7.当系统中只有1条或2条线路时，将不会有3个I_DC，n，对这两种情况进行以下处理：

1条馈线系统：只需区分属于母线故障还是线路故障，在满足判据1的情况下，闭锁本方法；在判据1的情况下，设母线衰减直流分量为I_DC，B，线路衰减直流分量为I_DC，L，定义判据3为：当I_DC，B＞2I_DC，L时，判断为母线故障，否则判断为线路故障；

2条馈线系统：在满足判据1的情况下，闭锁本方法；在不满足判据1的情况下，设母线衰减直流分量为I_DC，B，线路衰减直流分量初始值按大小速顺序排列分别为I_DC，j和I_DC，k，定义判据4为：当I_DC，B和I_DC，j方向相反，则判断为线路j故障，当I_DC，B和I_DC，j方向相同，判断为母线故障。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明的理论基础较为直观、方法简单实用、可靠、有效，。

2、大量仿真表明：本方法在故障合闸角θ≤60°且过渡电阻较大时，可以正确地选线；在过渡电阻较小时，故障合闸角较大时也可以正确选线；

3、本方法可与暂态选线方法结合，形成完善的小接地电流系统故障选线技术。

附图说明：

图1消弧线圈接地电网中单相接地时的电流分布。

图2线路故障时的故障线路与非故障线路零序电流。

图3母线故障时的线路零序电流。

图4选线流程图。

具体实施方式：

本方法具体实现流程图如图4所示。本方法的具体步骤如下：

(1)当小接地电流系统的母线零序电压瞬时值u₀(t)大于K_uU_n，故障选线路装置立即启动，记录下故障前2个周波和故障后3个周波的各出线零序电流和母线零序电压。其中，K_u一般取值为0.35，U_n表示母线额定电压；

(2)从选线装置启动时刻向前追朔，在母线零序电压上寻找小于0.01U_n的采样点，其对应的时刻认为是单相接地故障发生的时刻t_f；

(3)从t_f开始选取母线零序电压一个周期的采样点，计算其相角θ_u0，设零序电压为正弦函数，且θ_u0∈[-180°，180°]，并定义判据1为：|θ_u0-90°|≤30°或|θ_u0+90°|≤30°；计算各条线路的I_DC， $I_{\mathrm{DC}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)/\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}^k$ 并定义判据2为：|I_DC，j|＞|I_DC，k|+|I_DC，m|；

(4)在各线路的I_DC，n中寻找最大的3个值，按从大到小顺序为I_DC，j、I_DC，k和I_DC，m对应的线路分别为L_j、L_k和L_m，根据判据1和判据2判断是线路故障还是母线故障，或者应该闭锁算法；

a.当满足判据1时，认为是在相电压最大值附近发生故障，故将闭锁本方法，而转入应用暂态选线方法；

b.当不满足判据1时，则根据判据2区分是线路故障还是母线故障；当满足判据2，说明线路L_j的衰减直流分量I_DC，j远大于其它线路上的衰减直流分量，认为是线路L_j故障；当不满足判据2时，则认为是母线故障；

c.当系统中只有1条或2条线路时，将不会有3个I_DC，n，对这两种情况进行以下处理：

1条馈线系统：只需区分属于母线故障还是线路故障，在满足判据1的情况下，闭锁本方法：在判据1的情况下，设母线衰减直流分量为I_DCB，线路衰减直流分量为I_DC，L，定义判据3为：当I_DC，B＞2I_DC，L时，判断为母线故障，否则判断为线路故障；

2条馈线系统：在满足判据1的情况下，闭锁本方法；在不满足判据1的情况下，设母线衰减直流分量为I_DC，B，线路衰减直流分量初始值按大小速顺序排列分别为I_DC，j和I_DC，k，定义判据4为：当I_DC，B和I_DC，j方向相反，则判断为线路j故障，当I_DC，B和I_DC，j方向相同，判断为母线故障。

发明人采用本方法进行了大量的数字仿真，其结果表明：该方法是有效、可靠的。

Claims (1)

1.一种消弧线圈接地系统故障选线自适应方法，利用衰减直流分量的量测进行，其特征在于使用故障后第一个周波的直流分量代替衰减直流分量的计算，并根据直流分量大小实现小接地电流系统的故障选线；具体步骤如下：

(1)当小接地电流系统的母线零序电压瞬时值u₀(t)大于K_uU_n，故障选线路装置立即启动，记录下故障前2个周波和故障后3个周波的各出线零序电流和母线零序电压；其中，K_u一般取值为0.35，U_n表示母线额定电压；

(2)从选线装置启动时刻向前追朔，在母线零序电压上寻找小于0.01U_n的采样点，其对应的时刻认为是单相接地故障发生的时刻t_f；

(3)从t_f开始选取母线零序电压一个周期的采样点，计算其相角θ_u0，设零序电压为正弦函数，且θ_u0∈[-180°，180°]，并定义判据1为：|θ_u0-90°|≤30°或|θ_u0+90°|≤30°；计算各条线路的I_DC， $I_{\mathrm{DC}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)/\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}^k$ 并定义判据2为：|I_DC，j|＞|I_DC，k|+|I_DC，m|；

(4)在各线路的I_DC，n中寻找最大的3个值，按从大到小顺序为I_DC，j、I_DC，k和I_DC，m，对应的线路分别为L_j、L_k和L_m，根据判据1和判据2判断是线路故障还是母线故障，或者应该闭锁本算法；

a.当满足判据1时，认为是在相电压最大值附近发生故障，故将闭锁本方法，而转入应用暂态选线方法；

b.当不满足判据1时，则根据判据2区分是线路故障还是母线故障；当满足判据2，说明线路L_j的衰减直流分量I_DC，j远大于其它线路上的衰减直流分量，认为是线路L_j故障；当不满足判据2时，则认为是母线故障；

c.当系统中只有1条或2条线路时，将不会有3个I_DC，n，对这两种情况进行以下处理：

1条馈线系统：只需区分属于母线故障还是线路故障，在满足判据1的情况下，闭锁本方法；在判据1的情况下，设母线衰减直流分量为I_DC，B，线路衰减直流分量为I_DC，L，定义判据3为：当I_DC，B＞2I_DC，L时，判断为母线故障，否则判断为线路故障；

2条馈线系统：在满足判据1的情况下，闭锁本方法；在不满足判据1的情况下，设母线衰减直流分量为I_DC，B，线路衰减直流分量初始值按大小速顺序排列分别为I_DC，j和I_DC，k，定义判据4为：当I_DC，B和I_DC，j方向相反，则判断为线路j故障，当I_DC，B和I_DC，j方向相同，判断为母线故障。

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